2) 511 Кэв
3) 12 МэВ
4) свыше 1 ГэВ
Порог образования электрон-позитронной пары определяется необходимостью создать массы покоя двух частиц: электрона и позитрона. Энергия покоя каждой из них составляет 511 кэВ, поэтому минимальная энергия фотона равна 2 × 511 кэВ = 1022 кэВ, или 1,022 МэВ. В тестовых заданиях это значение обычно округляют до 1,02 МэВ.
Процесс протекает в кулоновском поле атомного ядра, которое принимает часть импульса и обеспечивает выполнение законов сохранения энергии и импульса; исчезнувший фотон превращается в электрон и позитрон. Энергия, превышающая пороговую, переходит в кинетическую энергию образовавшихся частиц. Впоследствии позитрон взаимодействует с электроном вещества и аннигилирует, как правило, с образованием двух фотонов по 511 кэВ, что имеет важное значение для регистрации излучения в позитронно-эмиссионной томографии.
Таким образом, правильным является значение 1,02 МэВ. Строго физически с учетом отдачи ядра необходима энергия несколько выше 1,022 МэВ, однако энергия отдачи обычно мала, поэтому в прикладных расчетах используют стандартный порог 1,022 МэВ. Образование пары в свободном пространстве невозможно для одного фотона из-за одновременного требования сохранения энергии и импульса.
| Процесс взаимодействия | Порог или характерная область энергий | Основная мишень | Результат взаимодействия |
|---|---|---|---|
| Фотоэлектрический эффект | Ниже 1,022 МэВ; особенно вероятен при низких энергиях | Связанный электрон атома | Фотон полностью поглощается, выбивается фотоэлектрон, возможны характеристическое излучение и Оже-электроны |
| Комптоновское рассеяние | Широкий диапазон энергий, включая область сотен кэВ и МэВ | Слабо связанный или практически свободный электрон | Фотон рассеивается с уменьшением энергии, электрон получает кинетическую энергию |
| Образование электрон-позитронной пары | Минимум 1,022 МэВ, в практических условиях — немного выше | Преимущественно кулоновское поле атомного ядра | Фотон исчезает, образуются электрон и позитрон; избыток энергии становится их кинетической энергией |
| Аннигиляция позитрона | После замедления позитрона в веществе | Электрон вещества | Обычно формируются два фотона по 511 кэВ, разлетающиеся почти в противоположных направлениях |
| Образование пары в поле электрона | Порог выше, около 2,044 МэВ | Кулоновское поле электрона | Помимо пары, электрон-мишень получает отдачу; процесс менее вероятен, чем в поле ядра |
| Фотоядерное взаимодействие | Обычно несколько МэВ и выше, в зависимости от ядра | Атомное ядро | Возбуждение или распад ядра с испусканием нуклонов и вторичного излучения |
Порог 1,022 МэВ является прямым следствием эквивалентности массы и энергии по формуле E = mc². При увеличении атомного номера вещества вероятность образования пар возрастает, поэтому этот процесс особенно значим при экранировании и поглощении высокоэнергетического гамма-излучения. Для оценки радиационной обстановки учитывают не только первичное образование пары, но и последующую аннигиляцию позитронов. В медицинской диагностике аннигиляционные фотоны служат основой регистрации распределения радиофармпрепарата при ПЭТ.